卧式车床CA6140数控化改造说明书

沈阳科技大学机电一体化课程设计计算手册主题：卧式车床的数控改造设计系：机械运输学院专业：机械设计、制造和自动化班级级别：号码：学生姓名：讲师：2011年6月13日目录摘要2设计主题31.设计任务42.总体规划的确定53.机械系统改造设计方案54.进给传动部件的计算和选择84.1脉冲当量的确定84.2切削力的计算84.3滚珠丝杠螺母副(纵向)的计算和选择94.4同步带减速器(纵向)10的设计4，5步进电机的计算和选择(纵向)134.6同步带传动功率的检查175.绘制进给传动机构17的装配图6.控制系统18的硬件电路设计7.步进电机19驱动功率的选择8.控制系统20的一些软件设计8.1内存和输入/输出芯片地址分配208.2控制系统监控管理程序208.3 8255芯片初始化子程序218.4 8279芯片初始化子程序218.5 8279控制发光二极管显示子程序228.6 8279管理键盘子程序248.7数模电路输出模拟电压程序258.8步进电机运动控制程序258.9电动刀架25的压痕控制程序8.10主轴、卡盘和冷却泵的控制程序25机电一体化的感受和收获第27课结论28谢谢你参考文献30摘要整个人类社会的文明史就是制造技术不断进化和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业和国民经济的主要来源。没有发达的制造业，这个国家就没有真正的繁荣和力量。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平和综合国力的重要体现。制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。机床是制造业的基本设备。中国是一个机床大国，拥有300多万台普通机床。然而，机床质量差，性能落后。一台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右。差距太大，太紧迫，不能改革。旧机床的数控改造，顾名思义，就是在普通机床上增加一个微机控制装置，使其具有一定程度的自动化能力，以达到预定的加工目标。随着数控机床的越来越普及和应用，数控机床的技术和经济效益是众所周知的。在国内工厂的技术改造中，机床的计算机数控改造已经成为一个重要的方面。许多工厂在购买数控机床时，使用数控、数字显示和PC机技术改造普通机床，取得了良好的经济效益。中国的经济资源有限，国家大，对机床的需求也大，所以不可能花大量的钱去购买新的数控机床。然而，我国有许多旧机床。经济型数控系统用于改造普通机床。投资少，既能满足加工需要，又能提高机床的自动化程度，更符合中国国情。1984年，中国开始生产经济型数控系统，并用它们改造旧机床。到目前为止，许多制造商已经生产出经济的数控系统。可以预见，经济型数控机床改造将会迅速发展，并在未来得到推广。(机电一体化系统设计课程设计指南)设计主题：卧式车床数控改造设计普通车床(如C616/C6132、C618/C6136、C620/C6140、C630等。)是最常用的金属切削机床类型。C6140普通车床的结构布置如图所示。当工件随主轴旋转时，内外圆柱面、锥面、端面、螺纹面等可以通过纵向和横向加工普通车床刀架的纵向和横向进给运动通过变速齿轮由主轴的旋转运动传递。进给箱的速度改变后，光杆或螺杆带动滑动箱、纵向滑板和横向滑板运动。进给参数取决于手动调整，改变参数时需要停止。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，切削顺序需要手动控制。普通车床的数控改造主要是将纵向和横向进给系统改造成可独立运动的微机控制进给伺服系统。用能自动更换工具的电动刀架代替手动刀架。这样，利用数控装置，车床可以根据预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中切削参数、切削顺序和刀具可以根据程序自动调整和更换，并增加了纵向和横向联动进给功能，改造后的车床可以加工各种形状复杂的旋转零件，实现多工序集中车削，提高了生产效率和加工精度。1.设计任务题目：C6140普通车床的数控改造设计任务：将C6140普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下(1)床体的最大加工直径为400毫米；(2)最大加工长度为1000毫米；(3)x方向(横向)=0.005 mm/脉冲，z方向(纵向)=0.01 mm/脉冲的脉冲当量；(4)x方向最快移动速度=3000毫米/分钟，z方向=6000毫米/分钟；(5)x方向最快工作速度=400毫米/分钟，z方向=800毫米/分钟；(6)x方向的定位精度为0.01毫米，z方向的定位精度为0.02毫米；(7)转动圆柱体、平面、圆锥体和球体等。(8)安装螺纹编码器，可车削公制/英制直螺纹和锥形螺纹，最大导程为24(9)安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；(10)自动控制主轴的正转、反转和停止，输出主轴的步进变速和无级变速信号；(11)自动控制冷却泵的启动/停止；(12)安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧和松开；(13)垂直和水平安装限位开关；(14)数控系统可以与PC机串行通信；(15)显示界面采用发光二极管数码管，编程采用国际标准化组织数控代码。2.总体计划的确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择、进给传动方式和执行机构的选择等。(1)普通车床应具备数控改造后的单坐标定位、双坐标直线插补、圆弧插补和螺纹插补功能。因此，数控系统应设计为连续控制型。(2)普通车床经过数控改造后属于经济型数控机床。在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，步进电机开环控制系统常用于进给伺服系统。(3)根据数控系统的最大加工尺寸、技术指标中最高的控制速度和经济要求，决定选用MCS-51系列8位单片机作为数控系统的中央处理器。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。(4)根据系统的功能需求，需要扩展程序内存和数量。根据存储器、键盘和显示电路、输入/输出接口电路、数模转换电路、串行接口电路等。选择步进电机的驱动功率和主轴电机的交流变频器也是必要的。(5)为满足技术指标中的速度和精度要求，纵向和横向进给传动应选用低摩擦、高传动效率的滚珠丝杠螺母副。为了消除传动间隙，提高传动刚度，螺母普通车床数控化时，一般可以保留原有的主传动机构和变速控制机构，从而减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统控制。为了提高车床的自动化程度，需要在加工过程中自动改变转速。原来的单速主电机可以用2-4速的多速电机代替。当多速电机仍不能满足要求时，可用交流变频器控制主轴电机实现无级变速(工厂使用表明，如果工作频率低于70Hz，原电机不能更换，但所选变频器的功率应大于电机的功率)。在本例中，采用步进变速时，可选择浙江超级电机有限公司生产的YD系列7.5千瓦变极多速三相异步电动机实现2-4档变速。采用无级变速时，应安装交流变频器。推荐型号为F1000-G0075T3B，适用于7.5千瓦电机。制造商是烟台汇丰电子有限公司3.2电动卡盘的安装为提高加工效率，采用电动卡盘夹紧和松开工件，选用呼和浩特机床附件厂生产的KD11250电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧和释放由数控系统控制。3.3更换自动旋转刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，车床原有的手动刀架改为自动旋转刀架，选用常州宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。为了实现自动换刀，需要数控系统配置并完成相应的电路。3.4螺纹编码器安装方案螺纹编码器也称为主轴脉冲发生器或圆形光栅。当数控车床加工螺纹时，有必要配置一个主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步旋转在本例中，改造后的车床可以加工的最大螺纹导程为24毫米，z方向的进给脉冲当量为0.01毫米/脉冲，因此螺纹编码器每转输出的脉冲数应不小于24毫米/(0.01毫米/脉冲)=2400个脉冲。考虑到编码器的输出具有90 A和B相位信号的相位差，在对A和B进行异或运算之后，可以获得2400个脉冲(在一转内)，因此编码器的行数可以减少到1200行(A和B信号)。此外，为了重复转动相同的螺旋槽而不弯曲，编码器还需要每转输出零脉冲z。基于上述要求，本例选用的螺纹编码器型号为ZLF-1200Z-05V0-15-CT。电源电压为5V，每转输出1200个交流脉冲和1个交流脉冲。信号是电压输出。轴头直径为15毫米，制造商为长春光机电数字显示技术有限公司螺纹编码器通常有两种安装方式：同轴安装和非同轴安装。同轴安装是指编码器直接安装在主轴的后端，并与主轴同轴。这种方法结构简单，但堵塞了主轴的通孔。不同的轴安装意味着编码器安装在主轴箱的后端，通常安装在与主轴同步旋转的输出轴上。如果找不到同步轴，编码器可以通过一对传动比为1: 1的同步齿形带与主轴连接。需要注意的是，编码器轴头和安装轴之间必须采用无间隙柔性连接，车床主轴的最大转速不得超过编码器的最大允许转速。3.5进料系统改造设计方案(1)拆下齿条的所有齿轮，找到主轴的同步轴，安装螺纹编码器。(2)拆下进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电机和同步带减速器总成。(3)拆除滑盒组件和快动刀的齿条和小齿轮，安装螺母座和螺母座支架(6)横向进给步进电机通过法兰座安装在横向滑板后部的纵向滑板上，并与滚珠丝杠的轴头连接。(7)拆下三根杆(螺杆、光杆和控制杆)，更换螺杆的右支架。图3-1和图3-2分别显示了改进的横向和纵向进给系统。图3-1 CA 6140数控车床横向进给传动机构图3-2 ca 6140数控车床纵向进给传动机构4.进给传动部件的计算和选择纵向和横向进给传动元件的计算和选择主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电机等。纵向进给机构将在下面详细描述。横向进给机构类似于纵向进给机构，这里将省略。4.1脉冲当量的确定根据设计任务的要求，x方向(横向)的脉冲当量=0.005 mm/脉冲，z方向(纵向)的脉冲当量=0.01脉冲。4.2切削力的计算切削力的分析和计算请参考相关教材。以下是纵向转动力的详细计算过程将工件材料设为碳素结构钢，=650 Mpa；刀具材料为YT15硬质合金；刀具的几何参数为：主偏角=60，前角=10，叶片倾角=-5；切削参数为：反向进给=3 mm，进给f=0.6 mm/r，切削速度=105 m/min。根据参考文献1的表3-1，我们可以得到：=2795，=1.0，=0.75，=-0.15。根据参考文献1和表3-3，主偏角的修正系数为0.94。叶片倾角、前倾角和叶尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。根据经验公式(3-2)，主切削力计算为2673.4牛顿。根据经验公式：=1: 0.35: 0.4，纵向进给切削力=935.69牛顿，反向力=1069.36牛顿。4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选择(纵向)(1)工作载荷的计算运动部件的已知总重量G=1300牛顿；转向力=2673.4 N，=1069.36 N，=935.69n。如图3-20所示，根据=，=，=的对应关系，我们可以得到：=2673.4 N，=1069.36 N，=935.69 n选择矩形-三角形组合滑动导轨，查表3-29，取K=1.15，=0.16。代入=，得到工作载荷 1712 N。(2)最大动态载荷的计算设定为在承受最大切削力的情况下，车床z方向上的最快进给速度